[发明专利]半导体器件

说明书

本发明涉及一种半导体光学器件，并涉及一种制造半导体光学器件的方法，特别涉及一种适合组成与光学纤维低损耗相互连接的半导体光学器件。

半导体器件和光学纤维已各自独立地取得了很多进展，例如用来供光学通信系统使用。半导体器件，例如激光器已取得了很大进展，并可通过考虑它们自身的特定要求来进行优化，例如对于激光器，低阈值、高带宽、窄线宽和高输出功率都是所要求的。这些要求，结合现有半导体材料所赋予的基本限制，特别是它们的折射率，意味着为了优化这些半导体光学器件的功能，很小的波导模是必要的。比较起来，对光学纤维的要求是需要损耗低，材料(色散)和波导色散低，有一定的机械性能(包括能被装卸)及被拼接的能力。尽管从多模到单模光纤的进步已明显减小了光学纤维的波导模尺寸，但实际上能被拼接的单模光纤的模尺寸要比半导体光学器件中的波导模尺寸大得多。波长为1.55μm的标准通信单模光学纤维的光斑尺寸(1/e²直径)大约是10μm，而一个典型的双异质结构半导体激光器的输出端面的光斑尺寸是1.0μm乘1.5μm。

在半导体光学器件和光学纤维的模光斑尺寸之间的极不匹配意味着两者之间的耦合效率很低，例如对于激光器和垂直端面单模光纤之间低达10％。另外，为使得半导体激光器和光学纤维之间的耦合效率达到最大，要求严格的准直公差，这将显著地增加组装半导体器件的成本。运行FTTH(光纤进入家庭)的关键性经济条件之一就是低成本组装半导体激光器的可能性。这种激光器成本的最大部分被用来组装该器件，而该成本的主要部分是需要使用亚微米的主动光纤准直技术来将光纤与半导体激光器准直。

IW Marshall发表在1986年4月第4卷第2期《英国通信技术杂志》上的《半导体激光器和单模光纤之间使用锥形透镜光纤的低损耗耦合》描述了提高半导体器件和光学纤维之间耦合效率的技术。这篇文章说明在单模光纤的末端如何形成透镜，首先将光纤拉成锥形，在熔焊机的电弧下保持拉伸，然后通过熔化锥形的尖端形成透镜。这种技术确实提高了光纤和半导体激光器之间的耦合效率，同时也明显地提高了组装这些器件的成本。除了实际做成透镜的成本外，当使用这样的透镜时，还要求比使用垂直端面光纤耦合有更高的准直公差。这是由于耦合损耗对于透镜光纤准直误差的灵敏度随着透镜半径的减小而增大，因而增加耦合效率必须以提高准直公差为代价。

提高半导体光学器件和光学纤维之间的耦合效率同时也减小在组装这些器件时对准直公差的要求一个可能的方法包括使用无源模转换器。例如在1993年欧洲光通信会议上由T.Brenner和H.Melchior提交的论文《利用InCaAsP/InP集成光学模适配器获得高效纤维波导耦合》和1992年第28卷的《电子快报》第1610-1617页由N Yoshimoto等著的《(使用了InP/InAlAs多量子阱波导的光斑尺寸转换器用于低损耗单模光纤耦合》都报导了这样的器件。这种器件是无源光学元件，它们使用楔形波导区域用于单模光纤与半导体器件的光学连接，将小的半导体模转换为单模光纤大得多的模。为了避免高损耗，要求这些无源模转换器的波导参数非常平缓地变化，以便允许光学模绝热地传播。尽管这些无源模转换器的确改善了半导体器件和光学纤维之间的耦合效率，并且也增加了准直公差，但它们还包含有一个必须在半导体光学器件和光学纤维之间准直和安装的元件，因而增加了这些组装的器件的复杂度，尺寸和成本。

1990年2月《IEEE光子技术快报》第2卷第二期，TLkoch等所著《楔形波导InCaAs/InCaAsP多量子阱激光器)描述了一种具有增加输出光斑尺寸的集成无源波导的激光器。这种器件采用了一个普通的多量子阱有源层，并为获得阶梯状楔形波导而采用了若干个沿该器件长度方向上的不同点被逐次刻蚀的无源波导层。有源层与无源楔形波导间消逝场耦合，并且也采用另一个与楔形波导相隔很大距离的无源“支撑”波导。这种设计几乎不允许激光器的优化有灵活性，例如要获得与无源楔形波导高度的消逝场耦合的需要在厚度上限制了有源层。这种对有源层厚度的限制限制了激光器的高温性能。而且使用阶梯状楔形无源波导要求大量附加的光刻步骤，因此极大地增加了器件制造的复杂度和成本。

按照本发明首先提出的见解，提供一种半导体光学器件，它包括一个带有第一和第二末端的组合光学波导，该组合波导包括：

半导体材料的第一光学波导区，该第一区是光学无源的，并且大体上是平面的；及

半导体材料的第二光学波导区，该第二区是光学有源的，包括多量子阱结构，并且在与第一区平面大体平行的方向上，从组合波导的第一末端到第二末端沿着第二区长度的主要部分是楔形的。